【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一酸化炭素などの還元性を有するガスを検出するガスセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガスセンサは半導体式、熱線半導体式、固体電解質式など種々の方式、形状のものが提案されている。一例として固体電解質式は図１１に示すように板状の固体電解質１の両面に一対の白金電極２、３を形成し、両面を板状のガス選択透過体４、５で覆い、片方のガス選択透過体４の表面にヒータ６を形成するとともに、その上に酸化触媒層７を設置したものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般にガスセンサは一酸化炭素、メタン、プロパン、水素などに選択的に感応し、ガス洩れ警報機や、ＣＯ警報機などの用途に用途に用いられている。したがって最終安全装置として高感度であること、応答が速いこと、消費電力が低いこと、選択性が高いこと、そして何よりも信頼性が高いことが要求される。
【０００４】
またガスセンサはセンサとガスとの化学反応を利用してガス検知を行なうものが多く、信頼性の確保のためには、化学反応が安定的に起こることを保証する必要がある。化学反応を安定的に継続させる大きな要素は熱であり、検知部で化学変化が安定して起きる温度に常に保つことで反応の安定を図ろうとしていた。
【０００５】
図１１に示す従来のガスセンサでは、固体電解質１、ガス選択透過体４、酸化触媒層７は板状のチップであり、熱容量が大きいためセンサを安定的に動作する温度を保持するためには大きな電力が必要であり、そのために商用電源が必要であった。したがって電源コンセントを常時占有することになり、一般家庭では台所等のごく限られた場所に設置されるのが普通である。しかし、暖房機、給湯器等の室内燃焼機の機器劣化に伴う燃焼不良の可能性や、住宅の高気密化に伴う室内空気質の悪化を考えると、ＣＯ警報機を普及させる必要がある。ただし、電気製品が溢れている家庭内において電源コンセントを占有することは非常に不便であり、設置性を改良することが望まれる。
【０００６】
このような電力面での課題を解決するために図１２に示したような薄膜ガスセンサが提案されている（例えば特許文献１参照）。この薄膜ガスセンサは、基板８上に形成されたヒータ９の上面に電気絶縁層１０を介して形成された酸素イオン導電性を有する固体電解質薄膜１１と、固体電解質薄膜１１上に形成された一対の電極１２ａ、電極１２ｂと、前記一対の電極１２ａ、電極１２ｂの一方の電極１２ｂ上に設けられた酸化触媒層１３より形成されている。この構成により熱容量を小さくして図１３に示すように、熱を間欠的に加えるパルス駆動を可能としており、その結果、大幅な省電力化が可能となり電池駆動が可能となる。しかし、半導体式、熱線半導体式、固体電解質式等は、いずれもヒータで所定の温度に加熱するため、電池容量を長期間保持するためにはヒータ加熱の間隔を大きくとる必要があった。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−１９４３２９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、省電力を意図した上記に述べたパルス駆動制御においては、パルス的に加熱されるので検知部は常に高温に保たれるわけではない。とくに水蒸気が検知部に付着したら、パルス加熱されても十分に発散せず、検知部のインピーダンスを下げてしまう可能性がある。またインピーダンスの低下によってヒータ電圧の分圧電圧が信号として検出され、ガス検出と判断してしまう可能性があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記従来の課題を解決するために、電極間の電圧検知時の入力インピーダンスをあえて下げ、水蒸気の存在による誤検知を少なくするものである。
これによって、台所などに設置されたガスセンサが調理時に発生する水蒸気などによって誤検知することもなくなり、信頼性の高いガスセンサを実現することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、ガスに対する酸化能力の異なる固体電解質上に一対の電極と、電極と固体電解質の加熱手段と、一対の電極間の電圧検出手段をと、電圧検出手段の入力端子間に高抵抗を設置したものであり、電圧検出手段の入力インピーダンスを適当な値に調整することによって、水蒸気存在時の出力を小さく抑えるものである。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、ガスに対する酸化能力の異なる固体電解質上の一対の電極と、電極と固体電解質の加熱手段と、一対の電極間の電圧検出手段と、電圧検出手段の入力端子間に１ＭΩから１００ＭΩの範囲の高抵抗を設置し、また電極の正電極と電圧検出手段の正入力端間にも１ＭΩから１００ＭΩの範囲の高抵抗を設置したものであり、センサ内部インピーダンスと電圧検出手段の入力インピーダンスの値のバランスを取ることによって水蒸気存在時の出力とガス検出時の出力の出力比を大きくするものである。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、電圧検出手段は高入力抵抗のオペアンプと増幅回路と電圧調整回路とで構成したものであり、最適な入力インピーダンスと最適な増幅率、最適な信号入力電圧範囲の設定を可能とするものである。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、ガスに対する酸化能力の異なる固体電解質上の一対の電極と、電極と固体電解質の加熱手段と、一対の電極間の電圧検出手段と、電圧検出手段の入力端子間に１ＭΩから１００ＭΩの範囲の高抵抗と高抵抗の短絡手段を設置したものでありセンサ出力を確実に短絡する事によりセンサ出力の原点回復の信頼性を高めるものである。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、感応時間１〜１０ミリ秒のメカニカルリレーの接点としたものであり、高速動作によって閉止信号に確実に応答する接点の開閉が可能となる。
【００１５】
そして請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、短絡制御手段を単安定マルチバイブレータで構成したものであり、短絡動作信号を出力するだけで、一定時間の短絡動作を行なう事が可能となる。
【００１６】
また請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、短絡制御手段の短絡時間を設定する可変抵抗を有するものであり、抵抗値を変更するだけで最適な短絡時間を設定する事が可能である。
【００１７】
また請求項８に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、短絡制御手段の短絡時間を設定する抵抗選択スイッチを有するものであり、スイッチの設定によって最適な短絡時間を設定する事が可能である。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００１９】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１におけるガスセンサの一例としてのＣＯセンサの構成図である。図１において、２０はセンサ素子である。２１は耐熱性で低熱伝導性の基板で、ここでは約２ｍｍ×２ｍｍ×０．３ｍｍの石英ガラスを用いている。２２は白金のヒータでスパッタ法、電子線蒸着法などによって所定の温度になるように抵抗値を設定している。２３は絶縁膜でアルミナ、シリカ、窒化珪素などの絶縁材料の薄膜をスパッタ法、電子線蒸着法などによってヒータ２２を覆うように形成している。２４は絶縁膜２３上に絶縁膜２３より小さな面積に形成された固体電解質であり、酸素イオン導電性を有する固体電解質（８％イットリア安定化ジルコニア）をスパッタ法で約０．４ｍｍ×０．６ｍｍの大きさに形成している。固体電解質２４としては酸素イオン導電性を有するすべての固体電解質を使用することができるがジルコニアに少量のイットリアを混合して焼成したイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が比較的安価で入手も簡単である。
【００２０】
また、２５ａ、２５ｂは電極で、白金をスパッタ法で固体電解質２４上に形成している。白金に一部パラジウム、ルテニウム、ロジウムなどの貴金属を混入させても良い。その他、一般に固体電解質型センサに用いる電極材料すべてが使用可能である。２６は片方の電極２５ａ上に設定された触媒で触媒２６は測定対象ガスを酸化分解するものであれば良いが、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウムなどの貴金属やバナジウム、マンガン等の酸化物あるいはこれらの混合物をアルミナなどに担持したものをスクリーン印刷法で形成する。
【００２１】
ここで、ＣＯ検出部３０は、絶縁膜２３、固体電解質２４、電極２５ａ、２５ｂ、触媒２６で構成された部分であり、片方の電極２５ａが触媒２６に覆われていることによって、電極２５ａ表面と電極２６ｂ表面でのガスに対する酸化能力が異なり、ＣＯ検出部３０全体がヒータ２２で加熱されてＣＯ検出特性を有するようになっている。すなわち空気中にＣＯが存在すると、触媒２６で覆われた電極２５ａではＣＯは触媒２６によって酸化され電極２５ａ面にまで到達しない。もう一方の電極２５ｂではＣＯは直接電極面に到達し、酸化されＣＯ２になる。この酸化反応には固体電解質２４内部の酸素イオンが使われ、その結果両電極での電極反応に差が生じ、固体電解質２４内部の酸素イオンの平衡が崩れ、両電極間に電位差が発生する。この電位差を電圧検出手段２７で検出することによりＣＯ濃度を検出することができる。電圧検出手段２７自身の入力インピーダンスは１Ｔ（１０６Ｍ）Ω程度と大きく入力端子間に高抵抗２８（１Ｍから１００ＭΩ程度の、電圧検出手段２７の入力インピーダンスに対しては十分小さい抵抗）の挿入によって、入力電圧は低減される。この低減率が、ＣＯ由来の出力信号電圧に比して、水蒸気由来の出力信号電圧の方が大きい。したがって高抵抗の挿入によって、水蒸気の影響が低減される。
【００２２】
図２に電圧検出手段２７の出力電圧を示す。領域（ａ）はＣＯ濃度最大値５００ｐｐｍに対する出力電圧を示し、領域（ｂ）は２０℃、相対湿度７０％の水蒸気雰囲気での出力電圧を示す。実線で示したのは、高抵抗２８が１０ＭΩの時の出力、破線で示したのは、高抵抗２８を挿入しなかった場合の出力である。高抵抗２８を挿入した場合の方が、ＣＯ出力が小さくなるものの、水蒸気雰囲気下での出力が大きく低減されており、水蒸気の影響が非常に小さくなっている。
【００２３】
その低減率の違いは、ＣＯ由来の出力信号は電極２５ａ、２５ｂ間の起電力出力であるのに対し、水蒸気による出力は絶縁膜２３の絶縁性の低下に由来するヒータ２２のリーク電圧であり、電圧発生の起源の差が挿入された高抵抗２８による低減率の違いに現れてくると考えられる。高抵抗２８の挿入が高水蒸気濃度雰囲気での信頼性の向上に多いに寄与していることが分かる。
【００２４】
また、ここで基板２１に用いている石英ガラスは熱伝導率が１．５Ｗ／ｍＫと絶縁膜２３（３５〜４５Ｗ／ｍＫ）や固体電解質２４（６Ｗ／ｍＫ）に対して小さく、したがってヒータ２２で加熱した場合に、基板２１の温度はほとんど上昇することなくヒータ２２の直上の固体電解質２４の領域およびその近傍のみの温度を上昇させることができる。したがって加熱のための消費電力も大幅に低減することができる。また、熱衝撃強度も大きいので短時間で所定の温度まで昇温することが可能である。上記構成では１５ｍＷｓｅｃの電力量で４５０℃までの昇温が可能であった。したがって、ヒータ２２をパルス的に駆動させて大幅に消費電力が低減できるため、電池電源での駆動も可能である。
【００２５】
図３は本発明の実施例１におけるＣＯセンサ回路の構成図である。ここではＣＯ検出部３０をヒータ２２で間欠加熱する構成としている。２９ａはパルス信号制御手段であり、信号制御手段としてのマイコン２９ｂから出力されたパルス出力電圧はオペアンプ３１の＋端子に入力され、出力端から固定抵抗３２とコンデンサ３３からなるフィルターを経由してオペアンプ３４の＋端子の入力になる。ＰＮＰトランジスタ３５とＮＰＮトランジスタ３６および直流電源３７はヒータ２２への電力供給手段３８を構成している。この構成において電流は直流電源３７からＰＮＰトランジスタ３５のエミッタ−コレクタを流れ、ヒータ２２に流れ込む。電流の大きさはＰＮＰトランジスタ３５のベース電流によって決まる。ＰＮＰトランジスタ３５のべース電流はＮＰＮトランジスタ３６のベース電圧、すなわちオペアンプ３４の出力電圧で制御される。オペアンプ３４は−端子と＋端子が同電位になるように動作するのでヒータ２２に流入する電流が決まり、発熱による抵抗値の変動が平衡状態に達し、ヒータ２２に印加される電圧が決定され、ヒータ２２の温度の平衡も達成され、ＣＯ検出部３０が加熱される。
【００２６】
そして、温度が上昇するとヒータ２２の抵抗値が増加し、オペアンプ３４の−端子の電圧が増加する。＋端子との電圧差が小さくなるとＮＰＮトランジスタ３６のベース電流が絞られる。従ってＰＮＰトランジスタ３５のベース電流も絞られ、ヒータ２２に流入する電流も絞られ、平衡状態に達してパルス出力電圧に相当した電圧がヒータ２２に印加されることになる。そしてヒータ２２の温度は一定値に制御される。一定温度に加熱されたＣＯ検出部３０はＣＯガスの濃度に応じた電圧を出力し、出力信号が電圧検出手段２７に入力される。マイコン２９ｂ内部では電圧検出手段２７からの信号によってＣＯ濃度を判定する。なお、ヒータ２２は間欠過熱を行なうとして説明を行なってきたが、ヒータ２２は連続通電されてもセンサの検知動作としては何ら問題はない。
【００２７】
（実施例２）
図４は本発明の実施例２におけるＣＯセンサの構成図である。実施例１との違いはセンサ電極２５ａと電圧検出手段２７の＋端子間に高抵抗４０を挿入したことである。この高抵抗４０により、ＣＯ検出部３０の内部インピーダンスのばらつきが緩和され、電圧検出手段２７の出力の一層の安定が確保される。
【００２８】
（実施例３）
図５は本発明の実施例３における電圧検出手段の構成図である。ＣＯ検出部３０の電極２５ａと２５ｂ間の電圧は高抵抗２８を挿入した高入力抵抗のオペアンプ４１に入力され、その出力は増幅回路４２で増幅され、ボリューム４３で設定された電圧と加算されてオペアンプ４４の出力となる。また、信号処理に適した信号レベルは加算される電圧によって調整される。この構成により、ＣＯ濃度範囲に応じ、適切な増幅度と信号電圧範囲に調節することが可能となる。
【００２９】
（実施例４）
図６は本発明の実施例４におけるＣＯセンサの構成図である。電圧検出手段２７の入力端にリレー４５が設置され、接点４６をコイル４７が励磁することによって閉じ、ＣＯ検出部３０の電極２５ａと２５ｂ間を短絡する構成としている。この構成により、電極２５ａと２５ｂ間の電圧を検出しない時間に電極間を短絡し、電極被毒の原因となる、イオンや電荷の放電を促し、常に清浄な電極状態でガス濃度を計測するため、信頼性の高いガスセンサを実現することが可能となる。
【００３０】
（実施例５）
図７は本発明の実施例５における短絡手段の構成図である。短絡手段はメカニカルリレー４８のリレー接点４９で構成され、コイル５０はＮＰＮトランジスタ５１の導通によって励磁される。すなわち、ＮＰＮトランジスタ５１のベース５２にｈｉｇｈ電圧が印加されるとＮＰＮトランジスタ５１のコレクタ５３、エミッタ５４間が導通し、コイル５０の励磁によってメカニカルリレーのリレー接点４９が閉じる。信号に対する即応性の点からリレー接点４９の感応速度は２〜１０ミリ秒の高速応答が必要とされるので、高周波用リレーが短絡手段として最適である。
【００３１】
（実施例６）
図８は本発明の実施例６における短絡手段の構成図である。短絡制御信号は単安定マルチバイブレータ５５から出力される。単安定マルチバイブレータ５５の入力端子５６にｈｉｇｈ信号が与えられると、外付けの抵抗５７とコンデンサ５８の値で決まる時間出力端子５９からｈｉｇｈ信号が出力される。短絡動作時間は上記の時定数で決まる。短絡動作は開始の指示を与えるだけで良いので制御は簡単になる。
【００３２】
（実施例７）
図９は本発明の実施例７における短絡手段の構成図である。単安定マルチバイブレータ５５の出力パルス幅は可変抵抗６０の大きさを調節することによって設定することが可能である。抵抗値が可変であるので実験で最適なパルス幅を選択することが出来る。
【００３３】
（実施例８）
図１０は本発明の実施例８における短絡手段の構成図である。単安定マルチバイブレータ５５の出力パルス幅は抵抗アレイ６１から選択スイッチ６２によって抵抗値を設定することによって設定が可能である。実験で最適な短絡パルス幅を選択することが出来る。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、ガス検出用の電極間電圧の電圧検出手段の入力端子に高抵抗を挿入することにより、水蒸気の存在下での出力の変動を押さえ、信頼性の高いガスセンサを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１におけるＣＯセンサの構成図
【図２】同センサにおける電圧検出手段の出力特性図
【図３】同センサにおけるＣＯセンサの回路図
【図４】本発明の実施例２におけるＣＯセンサの構成図
【図５】本発明の実施例３における電圧検出手段の構成図
【図６】本発明の実施例４におけるＣＯセンサの構成図
【図７】本発明の実施例５における短絡手段の構成図
【図８】本発明の実施例６における短絡手段の構成図
【図９】本発明の実施例７における短絡手段の構成図
【図１０】本発明の実施例８における短絡手段の構成図
【図１１】従来のＣＯセンサ検知部の構成を示す斜視図
【図１２】従来の他のＣＯセンサ検知部の構成を示す斜視図
【図１３】同センサのヒータ駆動に係る説明をするための模式図
【符号の説明】
２０ センサ素子
２２ ヒータ（加熱手段）
２４ 個体電解質
２５ａ、２５ｂ 電極
２７ 電圧検出手段
２８、４０ 高抵抗
４１、４４ オペアンプ
４２ 増幅回路
４３ ボリューム
４５ リレー
４８ メカニカルリレー
５５ 単安定マルチバイブレータ
６０ 可変抵抗
６２ 選択スイッチ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas sensor that detects a reducing gas such as carbon monoxide.
[0002]
[Prior art]
Conventional gas sensors of various types and shapes such as a semiconductor type, a hot-wire semiconductor type, and a solid electrolyte type have been proposed. As an example, in the solid electrolyte type, as shown in FIG. 11, a pair of platinum electrodes 2 and 3 are formed on both sides of a plate-shaped solid electrolyte 1, and both sides are covered with plate-shaped gas selective permeators 4 and 5. The heater 6 is formed on the surface of the permselective body 4, and the oxidation catalyst layer 7 is provided thereon.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Generally, gas sensors are selectively sensitive to carbon monoxide, methane, propane, hydrogen, and the like, and are used for applications such as gas leak alarms and CO alarms. Therefore, it is required that the final safety device has high sensitivity, quick response, low power consumption, high selectivity, and above all, high reliability.
[0004]
In many gas sensors, gas detection is performed using a chemical reaction between the sensor and the gas. To ensure reliability, it is necessary to ensure that the chemical reaction occurs stably. A major factor in stably continuing a chemical reaction is heat, and it has been attempted to stabilize the reaction by constantly maintaining a temperature at which a chemical change occurs stably in the detection unit.
[0005]
In the conventional gas sensor shown in FIG. 11, the solid electrolyte 1, the gas selective permeable member 4, and the oxidation catalyst layer 7 are plate-shaped chips, and have a large heat capacity, so that they are large to maintain a temperature at which the sensor can operate stably. Electric power was required, which required a commercial power supply. Therefore, the power outlet is always occupied and usually installed in a very limited place such as a kitchen in a general home. However, in view of the possibility of poor combustion due to deterioration of equipment of an indoor combustor such as a heater and a water heater, and deterioration of indoor air quality due to high airtightness of a house, it is necessary to disseminate a CO alarm. However, it is very inconvenient to occupy a power outlet in a home where electrical appliances are overflowing, and it is desired to improve installation.
[0006]
In order to solve such a power problem, a thin film gas sensor as shown in FIG. 12 has been proposed (for example, see Patent Document 1). This thin film gas sensor includes a solid electrolyte thin film 11 having oxygen ion conductivity formed on an upper surface of a heater 9 formed on a substrate 8 via an electric insulating layer 10, and a pair of solid electrolyte thin films formed on the solid electrolyte thin film 11. It is formed of electrodes 12a and 12b and an oxidation catalyst layer 13 provided on one of the pair of electrodes 12a and 12b. With this configuration, the heat capacity is reduced, and pulse driving for intermittently applying heat is enabled, as shown in FIG. 13. As a result, significant power savings and battery driving are possible. However, since the semiconductor type, the hot-wire semiconductor type, the solid electrolyte type, etc. are all heated to a predetermined temperature by a heater, it is necessary to increase the heater heating interval in order to maintain the battery capacity for a long period of time.
[0007]
[Patent Document 1]
JP 2001-194329 A
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described pulse drive control intended for power saving, the detection unit is not always kept at a high temperature because it is heated in a pulsed manner. In particular, if water vapor adheres to the detection unit, even if it is pulse-heated, it does not sufficiently diverge, which may lower the impedance of the detection unit. In addition, there is a possibility that a divided voltage of the heater voltage is detected as a signal due to a decrease in impedance, and it is determined that gas has been detected.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned conventional problems, the input impedance at the time of detecting the voltage between the electrodes is intentionally reduced to reduce erroneous detection due to the presence of water vapor.
As a result, a gas sensor installed in a kitchen or the like is not erroneously detected due to water vapor generated during cooking, and a highly reliable gas sensor can be realized.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The invention according to claim 1 includes a pair of electrodes on a solid electrolyte having different oxidizing abilities to gas, a heating unit for the electrodes and the solid electrolyte, a voltage detection unit between the pair of electrodes, and an input terminal of the voltage detection unit. A high resistance is provided in between, and the output in the presence of water vapor is suppressed by adjusting the input impedance of the voltage detecting means to an appropriate value.
[0011]
Further, the invention according to claim 2 provides a pair of electrodes on a solid electrolyte having different oxidizing abilities to gas, a heating means for the electrodes and the solid electrolyte, a voltage detecting means between the pair of electrodes, and an input of the voltage detecting means. A high resistance in the range of 1 MΩ to 100 MΩ is installed between the terminals, and a high resistance in the range of 1 MΩ to 100 MΩ is installed between the positive electrode of the electrode and the positive input terminal of the voltage detecting means. By balancing the value of the input impedance of the voltage detecting means, the output ratio between the output when water vapor is present and the output when gas is detected is increased.
[0012]
According to a third aspect of the present invention, the voltage detecting means comprises an operational amplifier having a high input resistance, an amplifying circuit, and a voltage adjusting circuit, and has an optimal input impedance, an optimal amplification factor, and an optimal signal input voltage. The range can be set.
[0013]
Further, the invention according to claim 4 provides a pair of electrodes on a solid electrolyte having different oxidizing abilities to gas, heating means for the electrodes and the solid electrolyte, voltage detecting means between the pair of electrodes, and input of the voltage detecting means. High-resistance and high-resistance short-circuit means in the range of 1 MΩ to 100 MΩ are installed between the terminals, and the reliability of recovery of the origin of the sensor output is improved by reliably short-circuiting the sensor output.
[0014]
The invention according to claim 5 is the invention according to claim 4, wherein the contact of the mechanical relay having a response time of 1 to 10 milliseconds is provided. It can be opened and closed.
[0015]
The invention according to claim 6 is the invention according to claim 4, wherein the short-circuit control means is constituted by a monostable multivibrator, and the short-circuit operation is performed for a fixed time only by outputting a short-circuit operation signal. Things become possible.
[0016]
According to a seventh aspect of the present invention, in accordance with the sixth aspect of the present invention, a short-circuit control means has a variable resistor for setting a short-circuit time, and the optimum short-circuit time is set only by changing the resistance value. Things are possible.
[0017]
The invention according to claim 8 is the invention according to claim 6, further comprising a resistor selection switch for setting the short-circuit time of the short-circuit control means, so that the optimum short-circuit time can be set by setting the switch. It is possible.
[0018]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0019]
(Example 1)
FIG. 1 is a configuration diagram of a CO sensor as an example of a gas sensor according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 20 denotes a sensor element. Reference numeral 21 denotes a heat-resistant and low-thermal-conductivity substrate, which is made of quartz glass of about 2 mm × 2 mm × 0.3 mm. Reference numeral 22 denotes a platinum heater whose resistance is set to a predetermined temperature by a sputtering method, an electron beam evaporation method, or the like. Reference numeral 23 denotes an insulating film formed by covering a heater 22 by a thin film of an insulating material such as alumina, silica, or silicon nitride by a sputtering method, an electron beam evaporation method, or the like. Reference numeral 24 denotes a solid electrolyte formed on the insulating film 23 to have a smaller area than the insulating film 23. The solid electrolyte having oxygen ion conductivity (8% yttria-stabilized zirconia) is approximately 0.4 mm × 0.6 mm by sputtering. It is formed in the size of. As the solid electrolyte 24, any solid electrolyte having oxygen ion conductivity can be used, but yttria-stabilized zirconia (YSZ) obtained by mixing zirconia with a small amount of yttria and firing is relatively inexpensive and easily available. .
[0020]
Reference numerals 25a and 25b denote electrodes, and platinum is formed on the solid electrolyte 24 by sputtering. Precious metals such as palladium, ruthenium, and rhodium may be partially mixed with platinum. In addition, all electrode materials generally used for solid electrolyte type sensors can be used. Reference numeral 26 denotes a catalyst set on one electrode 25a. The catalyst 26 may be any one that can oxidize and decompose the gas to be measured. However, noble metals such as platinum, palladium, ruthenium, and rhodium, and oxides such as vanadium and manganese, Formed on alumina or the like to form a mixture by screen printing.
[0021]
Here, the CO detection unit 30 is a portion composed of the insulating film 23, the solid electrolyte 24, the electrodes 25a and 25b, and the catalyst 26. When one of the electrodes 25a is covered with the catalyst 26, the surface of the electrode 25a is The oxidizing ability of the gas on the surface of the electrode 26b differs from that of the electrode 26b, and the entire CO detection unit 30 is heated by the heater 22 to have the CO detection characteristic. That is, if CO exists in the air, the CO is oxidized by the catalyst 26 at the electrode 25a covered with the catalyst 26 and does not reach the surface of the electrode 25a. Reach the CO in the other electrode 25b directly electrode surface becomes oxidized CO 2. In this oxidation reaction, oxygen ions inside the solid electrolyte 24 are used. As a result, a difference occurs between the electrode reactions at the two electrodes, the equilibrium of the oxygen ions inside the solid electrolyte 24 is lost, and a potential difference is generated between the two electrodes. The CO concentration can be detected by detecting this potential difference by the voltage detecting means 27. The input impedance of the voltage detecting means 27 itself is as large as about 1T (10 6 M) Ω, and a high resistance 28 (about 1 M to 100 MΩ, which is sufficiently small with respect to the input impedance of the voltage detecting means 27) is inserted between the input terminals. As a result, the input voltage is reduced. This reduction rate is higher for the output signal voltage derived from water vapor than for the output signal voltage derived from CO. Therefore, the effect of water vapor is reduced by inserting a high resistance.
[0022]
FIG. 2 shows the output voltage of the voltage detecting means 27. The area (a) shows the output voltage for the maximum CO concentration of 500 ppm, and the area (b) shows the output voltage in a water vapor atmosphere at 20 ° C. and 70% relative humidity. The solid line shows the output when the high resistance 28 is 10 MΩ, and the broken line shows the output when the high resistance 28 is not inserted. When the high resistance 28 is inserted, although the CO output is smaller, the output in the steam atmosphere is greatly reduced, and the influence of the steam is very small.
[0023]
The difference in the reduction rate is that the output signal derived from CO is an electromotive force output between the electrodes 25a and 25b, whereas the output due to water vapor is a leak voltage of the heater 22 resulting from a decrease in insulation of the insulating film 23. It is considered that the difference in the origin of voltage generation appears in the difference in reduction rate due to the inserted high resistance 28. It can be seen that the insertion of the high resistance 28 greatly contributes to the improvement of the reliability in the atmosphere having a high water vapor concentration.
[0024]
The quartz glass used for the substrate 21 has a thermal conductivity of 1.5 W / mK, which is smaller than that of the insulating film 23 (35 to 45 W / mK) and the solid electrolyte 24 (6 W / mK). When the heating is performed in the step (1), the temperature of the region of the solid electrolyte 24 immediately above the heater 22 and the vicinity thereof can be increased without substantially increasing the temperature of the substrate 21. Therefore, power consumption for heating can be significantly reduced. Further, since the thermal shock strength is high, it is possible to raise the temperature to a predetermined temperature in a short time. With the above configuration, it was possible to raise the temperature to 450 ° C. with a power amount of 15 mWsec. Therefore, since the heater 22 can be driven in a pulsed manner and the power consumption can be greatly reduced, it is possible to drive with a battery power supply.
[0025]
FIG. 3 is a configuration diagram of the CO sensor circuit according to the first embodiment of the present invention. Here, the CO detection unit 30 is configured to be intermittently heated by the heater 22. 29a is a pulse signal control means. The pulse output voltage output from the microcomputer 29b as a signal control means is input to the + terminal of the operational amplifier 31, and from the output terminal via a filter composed of a fixed resistor 32 and a capacitor 33, the operational amplifier. It becomes the input of 34 + terminal. The PNP transistor 35, the NPN transistor 36, and the DC power supply 37 constitute a power supply 38 to the heater 22. In this configuration, current flows from the DC power supply 37 to the emitter-collector of the PNP transistor 35 and flows into the heater 22. The magnitude of the current is determined by the base current of the PNP transistor 35. The base current of the PNP transistor 35 is controlled by the base voltage of the NPN transistor 36, that is, the output voltage of the operational amplifier 34. Since the operational amplifier 34 operates so that the negative terminal and the positive terminal have the same potential, the current flowing into the heater 22 is determined, the variation in resistance value due to heat generation reaches an equilibrium state, and the voltage applied to the heater 22 is determined. The balance of the temperature of the heater 22 is also achieved, and the CO detection unit 30 is heated.
[0026]
When the temperature rises, the resistance value of the heater 22 increases, and the voltage at the negative terminal of the operational amplifier 34 increases. When the voltage difference from the + terminal is reduced, the base current of NPN transistor 36 is reduced. Therefore, the base current of the PNP transistor 35 is also reduced, the current flowing into the heater 22 is also reduced, and the voltage reaches the equilibrium state and the voltage corresponding to the pulse output voltage is applied to the heater 22. Then, the temperature of the heater 22 is controlled to a constant value. The CO detector 30 heated to a constant temperature outputs a voltage corresponding to the concentration of the CO gas, and an output signal is input to the voltage detector 27. In the microcomputer 29b, the CO concentration is determined based on a signal from the voltage detecting means 27. Although the description has been made assuming that the heater 22 performs intermittent overheating, even if the heater 22 is continuously energized, there is no problem in the detection operation of the sensor.
[0027]
(Example 2)
FIG. 4 is a configuration diagram of the CO sensor according to the second embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that a high resistance 40 is inserted between the sensor electrode 25a and the + terminal of the voltage detecting means 27. Due to the high resistance 40, variation in the internal impedance of the CO detection unit 30 is reduced, and the output of the voltage detection unit 27 is further stabilized.
[0028]
(Example 3)
FIG. 5 is a configuration diagram of the voltage detecting means according to the third embodiment of the present invention. The voltage between the electrodes 25a and 25b of the CO detection unit 30 is input to a high input resistance operational amplifier 41 into which a high resistance 28 is inserted, and the output is amplified by an amplifier circuit 42 and added to the voltage set by a volume 43. The output of the operational amplifier 44. The signal level suitable for signal processing is adjusted by the added voltage. With this configuration, it is possible to adjust the amplification degree and the signal voltage range to an appropriate level according to the CO concentration range.
[0029]
(Example 4)
FIG. 6 is a configuration diagram of a CO sensor according to Embodiment 4 of the present invention. A relay 45 is provided at the input end of the voltage detecting means 27, and the contact 46 is closed by exciting the coil 47 to short-circuit the electrodes 25 a and 25 b of the CO detecting unit 30. With this configuration, the electrodes are short-circuited during the time when the voltage between the electrodes 25a and 25b is not detected, and the discharge of ions and charges that cause electrode poisoning is promoted, and the gas concentration is always measured in a clean electrode state. Thus, a highly reliable gas sensor can be realized.
[0030]
(Example 5)
FIG. 7 is a configuration diagram of the short-circuit means according to the fifth embodiment of the present invention. The short-circuit means is constituted by the relay contact 49 of the mechanical relay 48, and the coil 50 is excited by conduction of the NPN transistor 51. That is, when a high voltage is applied to the base 52 of the NPN transistor 51, the collector 53 and the emitter 54 of the NPN transistor 51 conduct, and the excitation of the coil 50 closes the relay contact 49 of the mechanical relay. Since the response speed of the relay contact 49 requires a high-speed response of 2 to 10 milliseconds from the viewpoint of responsiveness to a signal, a high-frequency relay is most suitable as a short-circuit means.
[0031]
(Example 6)
FIG. 8 is a configuration diagram of the short-circuit means according to the sixth embodiment of the present invention. The short-circuit control signal is output from the monostable multivibrator 55. When a high signal is given to the input terminal 56 of the monostable multivibrator 55, the high signal is output from the time output terminal 59 determined by the values of the external resistor 57 and the capacitor 58. The short-circuit operation time is determined by the above time constant. The control becomes simple because the short-circuit operation only needs to give a start instruction.
[0032]
(Example 7)
FIG. 9 is a configuration diagram of the short-circuit means according to the seventh embodiment of the present invention. The output pulse width of the monostable multivibrator 55 can be set by adjusting the size of the variable resistor 60. Since the resistance value is variable, an optimum pulse width can be selected in an experiment.
[0033]
(Example 8)
FIG. 10 is a configuration diagram of the short-circuit means according to the eighth embodiment of the present invention. The output pulse width of the monostable multivibrator 55 can be set by setting the resistance value of the resistance array 61 by using the selection switch 62. An optimum short-circuit pulse width can be selected by an experiment.
[0034]
【The invention's effect】
As described above, the present invention provides a highly reliable gas sensor by inserting a high resistance into the input terminal of the voltage detection means of the inter-electrode voltage for gas detection, thereby suppressing output fluctuations in the presence of water vapor. It can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a CO sensor according to a first embodiment of the present invention; FIG. 2 is an output characteristic diagram of voltage detection means in the sensor; FIG. 3 is a circuit diagram of a CO sensor in the sensor; FIG. FIG. 5 is a configuration diagram of a voltage sensor according to a third embodiment of the present invention. FIG. 6 is a configuration diagram of a CO sensor according to a fourth embodiment of the present invention. FIG. 7 is an embodiment of the present invention. FIG. 8 is a structural view of a short-circuit means in Embodiment 6 of the present invention. FIG. 9 is a structural view of a short-circuit means in Embodiment 7 of the present invention. FIG. FIG. 11 is a perspective view showing the configuration of a conventional CO sensor detection unit. FIG. 12 is a perspective view showing the configuration of another conventional CO sensor detection unit. Schematic diagram for explanation [Explanation of reference numerals]
20 sensor element 22 heater (heating means)
24 Solid electrolyte 25a, 25b Electrode 27 Voltage detecting means 28, 40 High resistance 41, 44 Operational amplifier 42 Amplifier circuit 43 Volume 45 Relay 48 Mechanical relay 55 Monostable multivibrator 60 Variable resistor 62 Selection switch
